化学反应条件实验研究

一、实验目的

1、熟练掌握演示“氨催化氧化制硝酸”实验的操作技能。 

2、了解该实验不同的几套装置，提高对实验装置的选择、评估及改进等能力。 

3、提高实验研究的初步能力。

二、实验用品

锥形瓶、园底烧瓶、双孔附导管橡皮塞二个、气唧、反应管、烧杯、玻璃纤维、重铬酸铵、氨水、石蕊试液。

三、原理

氨的催化氧化制硝酸反应是一个很复杂的反应过程。研究表明，根据不同的反应条件可以生成不同的氧化产物，这可由下面几个反应式给于说明：

  4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O

  4NH₃+4O₂→2N₂O+6H₂O

           4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O

　　上述几个反应都是不可逆反应，所以实际上不可能用改变反应平衡的方法，使氨的氧化反应只生成NO ，而只能选择相适宜的反应条件，改变可能发生的各反应的速度，即提高主反应的速度，使其他副反应受到抑制。事实证明，选用选择性强的催化剂是唯一能相对阻止其他副反应发生的切实可行的办法。所以催化剂的选择是本实验成功的关键之一。众所周知，铂是本实验最佳的催化剂，在本实验中其催化氨氧化的速度比常用的非铂催化剂的速度要大100倍左右。但由于铂的价格昂贵，所以在中学常选用三氧化二铬、氧化钴、铜等为本实验的催化剂。

三氧化二铬是最常用的催化剂，简易的制取方法是取1~2克重铬酸铵放在新的石棉网上，用煤气灯加热使之分解。分解时桔红色的重铬酸铵变为绿色的三氧化二铬，体积也膨胀多倍。其反应式为:

　　上述反应有水生成，所以分解反应结束后，还应继续加热片刻，使三氧化二铬充分干燥，以提高其催化的活性。三氧化二铬可不用载体直接作催化剂，也可将它研成粉状与石棉相混，使之载于石棉上用于催化。另外还可将砖瓦砸成赤豆粒大小的碎块，浸入饱和的重铬酸铵溶液中，数小时后进行干燥、灼烧至重铬酸铵分解再用于催化。

　　氧化钴也是本实验的较好催化剂之一，它可以不用载体直接用作催化剂，也可制成氧化钴石棉用于催化。其方法是将硝酸钴加热至分解，把得到的黑色氧化钴粉末与约10倍质量的石棉充分搅拌混匀即可。也可将石棉浸泡在硝酸钴溶液中，然后取出烘干、灼烧获得。另外，还可把红砖瓦砸成赤豆粒大小，干燥后浸入硝酸钴饱和溶液中，一至二天后一起倒入蒸发皿中加热蒸发、灼烧(在通风橱中进行)，使硝酸钴完全分解成黑色的氧化钴(Co₂O₃)。这样制得的催化剂，使用较长时间后仍可保持较高的活性。

　　氧化铁对本实验也有一定的催化作用，被不少中学教师采用。一般是制成活性氧化铁石棉用于催化反应。制取方法是:在氢氧化铵溶液中注入少量氯化铁即有氢氧化铁沉淀生成，将其过滤、水洗后与石棉相混合，再加热灼烧使之分解即可。如将碱式碳酸铜加热分解成活性氧化铜用作催化剂，效果比氧化铁好。

另外，还可选用铜丝、铜网、细铜丝团等金属铜及五氧化二钒、二氧化锰等金属氧化物作为本实验的催化剂。

除了催化剂，本实验成功的关键还包括鼓入混合气体中氨的浓度和反应温度的控制。另外，实验装置的选择也会影响本实验的演示效果。

氨的催化氧化反应为强放热反应，但温度过低，反应速度则太慢。所以本实验还是要在反应前对催化剂作预先加热处理。另外，不同的温度对NO的产率也有影响，例如用铂、铑催化剂时，最佳的反应温度为700~800 ^oC。

从化学反应式可知每一摩尔的氨需要氧气1.25摩尔。但采用这一理论上的比例会使NO的产率很低，经研究证明，氧气与氨的比值达到1.8：1左右，其NO的产率可达到最高点，该比值相当于在氨和空气的混合气体中氨的含量为10%左右。采用纯氧当然有利于NO的生成，但纯氧和氨混合后极易爆炸，而且选用氧气后会导致装置及操作的复杂化。所以本实验一般都选用空气和氨相混合进行反应，氨在混合气体中的浓度，往往由室温、氨水的浓度及用量等有关因素决定。

该实验的不少设计使用了干燥剂和除氨剂，用来吸除水气和反应后多余的氨。然而这些并非是实验成、败的关键，有些装置不用干燥剂、除氨剂等，实验仍可确保成功。而氨水的浓度、反应温度、鼓入反应气体的速度是至关紧要的。如氨的浓度控制不好，有时只有白烟产生，有时只能观察到冷凝后形成的水珠，烧杯中的石蕊试液也不变红。有时实验时间拖得很长也只能产生淡淡的黄色。由此可见本实验中氨在混合气体中的浓度等因素是不能忽略的重要关键之一。

四、装置

氨的催化氧化制硝酸的实验设计装置有不少。用辩证的观点看，一个装置在具备种种优点、长处的同时，难免会产生另一些负面的影响。例如对某个实验的各个环节、各种现象都考虑得十分周到，使实验每个细小的步骤、变化、现象都能清晰、精确地展示在学生面前，那么该实验的装置或操作等往往就比较繁琐复杂，可能会使一些教师不愿或不能采用，反之也一样。氨的催化氧化制硝酸的实验设计装置有很多，在有关书和期刊上发表过的，少说也有十多个。下面仅选出五种供参考、讨论:

图1，是采用内热式的加热装置，其特点是加热速度快、方便(不用点酒精灯)、装置及操作较简单。但要有电源，且要注意用电的安全。图2，也是一种较筒易的装置，其特点是氨水耗用量少，操作步骤筒易。但实验成功率会产生一些问题，这就需要演示者化较多时间和精力在课前作充分的准备。

上述两实验装置的尾气没安排处理，使NO₂变为硝酸还要再加入

水和指示剂。

图3、图4为现行上海市两套中学化学教材中的该实验演示装置。

图3

图4

图5为本次实验操作练习和试讲演示的选用装置。

图5

五、实验操作

1、用重铬酸铵自制三氧化二铬催化剂。(重铬酸铵取蚕豆般大小即可，太多造成浪费、喷料)

2、按图5所示装配好实验装置，并检查气密性。

3、装入玻璃棉、催化剂，注入100ml约2:1的氨水(氨水浓度视室温可作适当变化)，小烧杯中注入半杯水并滴加1~2ml石蕊试液。

4、点燃酒精灯(或煤气灯)，加热催化剂。

5、催化剂受热由草绿色变为灰黑色后，慢慢鼓入空气，注意观察催化剂是否有发红(放热)现象。

6、催化剂的现象如正常，可加快鼓气速度，注意观察圆底烧瓶中气体的颜色变化及小烧杯中石蕊试液的颜色变化。

7、记录实验各步有关条件和相关现象、数据。

六、说明

    如果需要对各种催化剂的催化效果进行研究、比较，则可在选择好各种催化剂后再选择并固定一种实验装置，进行多次平行实验并记录各种催化剂所产生的实验效果，如产生NO₂的量(通过颜色的比较)、催化剂的状态(是否发红等)、完成反应的时间等等。最后将各个实验的有关结果通过列表一一表述清楚，以便于通过分析给出科学的判断。

如果想探索氨水浓度对本实验的影响，则可选择一种装置，并固定温度和其他反应条件，选择4~6种不同浓度的氨水进行对照试验，并把各种试验结果整理成表，便于最后分析。下面的表格可供同学参考、选用。

        不同浓度氨水进行氨氧化实验的现象

如果要对各实验装置进行比较、研究，则可相对固定其他各反应条件，选用不同的仪器、装置进行对比实验，同样作观察和记录，并可把各项记录整理成表，最后经分析给出结论。

七、实验分析和讨论

1、你认为影响本实验成功率的关键因素有哪些?如何解决。

2、上述图1~5五个实验装置中，你认为选择哪一个更好一些?为什么?

3、图3、4、5三个实验装置比较相似，试分别进行评估分析(指出各自的优缺点)。

  4、查阅有关资料后，结合自已的认识，设计一个与上述不同的氨的催化氧化实验装置，画出装置图，简要阐述设计思路。

  5、写出该实验演示讲稿(实验教案)，准备演示、试讲。